벡터: 내적과 외적: 단계별 풀이가 있는 연습 문제

그림, 힌트, 자세한 풀이가 있는 무료 벡터: 내적과 외적 연습 문제. 매번 새로운 값으로, 세 가지 난이도: 크기와 성분, 내적, 외적과 모멘트.

무료 연습 문제쉬움
xyza

벡터 a = (6, −5, 9)의 크기 |a|을(를) 구하시오.

a = (6, −5, 9)
다음 문제 →
벡터: 내적과 외적 무료로 연습하기지금 벡터: 내적과 외적 연습하기매일 무료 문제 5개. 카드 등록이 필요 없습니다.

연습 내용

  1. 쉬움크기와 성분
  2. 보통내적
  3. 어려움외적과 모멘트

벡터: 내적과 외적 문제 푸는 방법

  1. 모든 벡터를 성분으로 쓰세요. 크기와 각도로 주어진 힘은 F·cos θ와 F·sin θ를 쓰세요.
  2. 길이와 방향에는 크기 √(x² + y² + z²)와 단위 벡터 a/|a|를 쓰세요.
  3. 각도, 투영, 수직 여부, 일에는 내적을 쓰세요: a·b = |a||b|cos θ.
  4. 수직 벡터, 넓이, 모멘트에는 외적을 쓰세요. 세 성분을 조심스럽게 쓰고 순서 a × b를 지키세요.

흔한 실수

  • 성분 대신 크기를 더하는 것.
  • 외적의 가운데(y) 성분의 부호를 틀리는 것.
  • 모멘트에서 r = A − O 대신 점의 위치를 쓰는 것.
  • 사분면을 확인하지 않고 arctan을 취하는 것.

핵심 공식

크기
|a| = √(ax² + ay² + az²)
단위 벡터
û = a/|a|
각도에서 성분 구하기
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
내적
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a를 b 위에 투영한 스칼라 투영
a·b/|b|
일
W = F·d
외적
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
넓이
평행사변형 |a × b|, 삼각형 ½|a × b|
O에 대한 모멘트
MO = r × F, r = A − O
평행육면체의 부피
V = |a·(b × c)|

벡터: 내적과 외적 처음부터 배우기

1벡터란 무엇인가

어떤 양은 수 하나만 있으면 됩니다. 5 kg의 질량이나 20 °C의 온도입니다. 이것이 스칼라입니다.

다른 양은 방향도 필요합니다. 위로 미는 40 N의 힘은 옆으로 미는 40 N과 매우 다릅니다. 이것이 벡터입니다.

벡터는 성분으로 나타냅니다. x 방향, y 방향, z 방향으로 얼마나 뻗는지입니다. 벡터 a = (4, 3, 0)은 x로 4, y로 3, z로 0만큼 뻗습니다.

xyaax​ = 4ay​ = 3θO

힘, 변위, 속도는 모두 벡터입니다. 공학자는 벡터 수학으로 힘을 더하고, 각도를 구하고, 3차원에서 모멘트를 계산합니다.

벡터는 성분별로 더합니다: (1, 2, 0) + (3, −1, 4) = (4, 1, 4). 이렇게 여러 힘의 합력을 구합니다.

자가 점검 벡터 a = (3, 4, 0)의 길이는 얼마인가?
  1. 1
  2. 25
  3. 5
  4. 7

답: 5. 길이는 √(3² + 4² + 0²) = √25 = 5입니다. 성분을 더하는 것(7)은 성분이 서로 수직이므로 틀렸고, 25는 제곱근을 잊은 값입니다.

2길이, 방향, 성분

크기 |a|는 벡터의 길이입니다. 3차원에서의 피타고라스입니다.

|a| = √(ax² + ay² + az²)

단위 벡터는 길이가 1이고 같은 방향을 가리킵니다. 모든 성분을 크기로 나누면 얻습니다.

û = a / |a|

a = (0, 3, 4)의 크기는 5이므로 û = (0, 0.6, 0.8)입니다. 확인: 0.6² + 0.8² = 1.

xy 평면의 힘은 흔히 크기 F와 양의 x축에서 반시계 방향으로 잰 각도 θ로 주어집니다. 성분은 다음과 같습니다.

Fx = F·cos θ Fy = F·sin θ

코사인과 사인이 부호를 자동으로 줍니다. 120°의 힘은 cos 120° = −0.5이므로 x 성분이 음수입니다.

성분에서 각도로 되돌아갈 때 arctan(Ry/Rx)은 −90°와 90° 사이의 답만 줍니다. Rx가 음수이면 180°를 더하세요. Ry만 음수이면 360°를 더하세요.

자가 점검 a = (0, 3, 4) 방향의 단위 벡터의 y 성분은 얼마인가?
  1. 0.12
  2. 0.43
  3. 0.6
  4. 3

답: 0.6. 크기 5로 나눕니다: 3/5 = 0.6. 3은 나누는 것을 잊은 값이고, 0.12는 |a|² = 25로 나눈 값이며, 0.43은 성분의 합(7)으로 나눈 값입니다.

3내적과 외적

두 벡터를 곱하는 방법은 둘입니다. 내적은 수를 줍니다. 외적은 새로운 벡터를 줍니다.

a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ

여기서 θ는 두 벡터 사이의 각입니다. 내적은 두 벡터가 얼마나 같은 방향을 가리키는지 나타냅니다. 서로 수직이면 0입니다.

dFθ|F|·cos θ
  • 각도: cos θ = a·b / (|a|·|b|).
  • a를 b에 사영한 스칼라 사영(a 중 b를 따르는 부분): a·b / |b|.
  • 변위에 걸쳐 일정한 힘이 한 일: W = F·d.
  • a·b = 0이면 두 벡터는 수직입니다.

외적 a × b는 a와 b 모두에 수직인 벡터입니다. 그 길이는 두 벡터가 이루는 평행사변형의 넓이와 같습니다.

a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
aba × bA

a = (1, 2, 0), b = (3, 1, 0)이면 a × b = (2·0 − 0·1, 0·3 − 1·0, 1·1 − 2·3) = (0, 0, −5)입니다. 평행사변형의 넓이는 5이고 삼각형은 그 절반인 2.5입니다.

순서가 중요합니다: b × a = −(a × b). 점 A에 작용하는 힘 F의 점 O에 대한 모멘트는 M = r × F이며 r = A − O입니다.

자가 점검 a = (2, 1, 0), b = (1, 4, 0)일 때 a × b의 z 성분은 얼마인가?
  1. 6
  2. 7
  3. 9
  4. −7

답: 7. z 성분 = axby − aybx = 2·4 − 1·1 = 7입니다. −7은 b × a(순서를 바꾼 것)이고, 6은 내적이며, 9는 두 곱을 빼는 대신 더한 값입니다.

4단계별 방법

  1. 모든 벡터를 성분으로 쓰세요. 크기와 각도로 주어진 힘에는 F·cos θ와 F·sin θ를 쓰세요.
  2. 문제가 점을 주면 그 점들로 벡터를 만드세요: A에서 B로 가는 벡터는 B − A입니다.
  3. 어떤 도구가 필요한지 정하세요. 길이와 방향: 크기와 단위 벡터. 각도, 사영, 일: 내적. 넓이, 수직 벡터, 모멘트: 외적.
  4. 먼저 공식을 쓰고, 성분 하나씩 수를 넣으세요. 부호는 괄호 안에 두세요.
  5. 결과를 확인하세요: 단위 벡터의 길이는 1이고, a × b는 a에 수직(따라서 a·(a × b) = 0)이며, 두 벡터 사이의 각은 0°에서 180° 사이입니다.

두 벡터에 수직인 단위 벡터를 구하려면 n = a × b를 취해 그 길이로 나누세요. 문제가 z 성분이 양수이기를 원하는데 구한 값이 음수이면 모든 부호를 바꾸세요.

모서리가 a, b, c인 상자(평행육면체)의 부피는 |a·(b × c)|입니다: 먼저 외적, 그다음 내적입니다.

5풀이 예제

모든 단계를 따라가 보세요. 다음 단계를 열기 전에 미리 예측해 보세요.

풀이 예제

일정한 힘 F = (6, 2, −3) N이 물체를 점 A(1, 0, 2)에서 점 B(3, 4, 2)까지 직선으로 민다. 좌표의 단위는 미터이다. 힘이 한 일 W와 힘과 변위 사이의 각 θ를 구하시오.

1

변위 구하기

변위는 A에서 B로 가는 벡터입니다: 끝에서 시작을 빼세요.

d = B − A = (3 − 1, 4 − 0, 2 − 2) = (2, 4, 0) m
2

내적으로 일 구하기

일은 힘과 변위의 내적입니다. 대응하는 성분끼리 곱해서 더하세요.

W = F·d = 6·2 + 2·4 + (−3)·0 = 12 + 8 + 0 = 20 J
3

두 크기

|F| = √(6² + 2² + (−3)²) = √49 = 7 N
|d| = √(2² + 4² + 0²) = √20 ≈ 4.472 m
4

각도

dFθ|F|·cos θ

내적의 다른 형태 F·d = |F|·|d|·cos θ를 쓰고 cos θ에 대해 푸세요.

cos θ = 20 / (7 · 4.472) = 0.6389
θ = arccos 0.6389 ≈ 50.3°
5

답 검산

일이 양수이므로 각은 90°보다 작아야 합니다. 그렇습니다.

운동 방향의 힘 성분은 |F|·cos θ = 7 · 0.6389 ≈ 4.47 N입니다. 여기에 거리 4.472 m를 곱하면 다시 20 J이 됩니다.

답

W = 20 J이고 θ ≈ 50.3°입니다.

6흔한 실수

  • 성분 대신 크기를 더하는 것. 직각을 이루는 3 N과 4 N의 두 힘은 7 N이 아니라 5 N이 됩니다.
  • 모멘트에서 r = A − O 대신 점의 좌표를 쓰는 것.
  • 외적의 가운데(y) 성분의 부호를 틀리는 것. azbx − axbz이며 그 반대가 아닙니다.
  • 외적에서 순서를 바꾸는 것. b × a는 a × b와 반대 방향을 가리킵니다.
  • 벡터가 어느 사분면에 있는지 확인하지 않고 방향에 arctan을 취하는 것.
  • 삼각형 넓이의 ½를 잊는 것: |AB × AC|의 절반입니다.
자가 점검 힘 F = (0, 10, 0) N이 점 A(3, 0, 0) m에 작용한다. 점 O(1, 0, 0) m에 대한 모멘트의 크기는 얼마인가?
  1. 10 N·m
  2. 20 N·m
  3. 30 N·m
  4. 40 N·m

답: 20 N·m. r = A − O = (2, 0, 0) m이므로 M = r × F = (0, 0, 2·10) = (0, 0, 20) N·m입니다. 점 A 자체를 r로 쓰면 30 N·m, A + O를 쓰면 40 N·m, O만 쓰면 10 N·m이 됩니다.

7시험 문제의 유형

  • 쉬움: 크기와 성분. 벡터의 길이, 단위 벡터의 한 성분, 크기와 각도로 주어진 힘의 한 성분, 또는 두 힘의 합력의 크기나 방향.
  • 보통: 내적. 내적, 두 벡터 사이의 각, 스칼라 사영, 두 점 사이에서 힘이 한 일, 또는 두 벡터를 수직으로 만드는 k의 값.
  • 어려움: 외적과 모멘트. a × b의 한 성분, 평행사변형이나 삼각형의 넓이, 한 점에 대한 힘의 모멘트, 단위 법선 벡터, 또는 삼중곱으로 구하는 상자의 부피.

수직 문제에서는 a·b = 0으로 놓으세요. k에 대한 일차 방정식 하나가 나옵니다.

꼭짓점이 A, B, C인 삼각형에는 변 벡터 AB = B − A와 AC = C − A를 쓰세요. 넓이는 ½·|AB × AC|입니다.

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예제 풀이

예제 1쉬움
xy135°F1​F2​

xy 평면의 한 점에 두 힘이 작용한다: F₁ = 110 N이 0° 방향, F₂ = 190 N이 135° 방향이며, 각도는 모두 양의 x축에서 반시계 방향으로 잰 것이다. 두 힘의 합력의 방향 φ을(를) 양의 x축에서 반시계 방향으로 0°에서 360° 사이의 값으로 구하시오.

F1 = 110 N, θ1 = 0°F2 = 190 N, θ2 = 135°

구하는 값: φ (°)

힌트 보기
  1. 각 힘을 x성분과 y성분으로 분해하세요.
  2. x성분끼리, y성분끼리 따로 더하세요.
  3. Rₓ = −24.35 N, Ry = 134.4 N.
정답과 단계별 풀이 보기

Vectors: a vector a = (ax, ay, az) has magnitude |a| = √(ax² + ay² + az²), and the unit vector in its direction is û = a/|a|. A vector of magnitude F at an angle θ measured anticlockwise from the positive x-axis has components Fx = F·cos θ and Fy = F·sin θ. Vectors add component by component.

합력의 성분

Rₓ = 110·cos 0° + 190·cos 135° = −24.35 N
Ry = 110·sin 0° + 190·sin 135° = 134.4 N

방향

Rₓ가 음수이므로 합력은 제2사분면이나 제3사분면을 향합니다. 계산기의 각도에 180°를 더하세요.

arctan(Ry/Rₓ) = arctan(134.4/−24.35) = −79.73°
φ = 100.3°

답

φ = 100.3°
예제 2보통
xyzab

벡터 a = (−4, −4, 0)와 b = (k, 6, 4)가 서로 수직이 되는 k의 값을 구하시오.

a = (−4, −4, 0)b = (k, 6, 4)

구하는 값: k

힌트 보기
  1. 수직인 벡터의 내적은 0입니다.
  2. k를 미지수로 하여 a·b = 0을 쓰고 일차방정식을 푸세요.
  3. (−4)·k + (−4)·6 + 0·4 = 0.
정답과 단계별 풀이 보기

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

내적이 0

a·b = (−4)·k + (−4)·6 + 0·4 = 0
−24 + (−4)·k = 0

k 구하기

k = −(−24)/(−4) = −6

답

k = −6
예제 3어려움
xyzABC

꼭짓점이 A(−3, −4, −1), B(−4, 3, −3), C(1, 4, −4)인 삼각형의 넓이 A을(를) 구하시오. 좌표의 단위는 미터이다.

A(−3, −4, −1)B(−4, 3, −3)C(1, 4, −4)

구하는 값: A (m²)

힌트 보기
  1. 같은 꼭짓점에서 두 변 벡터를 만드세요: AB = B − A, AC = C − A.
  2. 넓이는 ½·|AB × AC|입니다.
  3. AB × AC = (−5, −11, −36).
정답과 단계별 풀이 보기

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

변 벡터

AB = B − A = (−1, 7, −2)
AC = C − A = (4, 8, −3)

외적

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 7·(−3) − (−2)·8 = −5
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−2)·4 − (−1)·(−3) = −11
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−1)·8 − 7·4 = −36
|AB × AC| = √((−5)² + (−11)² + (−36)²) = 37.97

삼각형의 넓이

A = ½·37.97 = 18.99 m²

답

A = 18.99 m²

질문과 답변

벡터: 내적과 외적: 무엇인가요?

어떤 양은 수 하나만 있으면 됩니다. 5 kg의 질량이나 20 °C의 온도입니다. 이것이 스칼라입니다.

다른 양은 방향도 필요합니다. 위로 미는 40 N의 힘은 옆으로 미는 40 N과 매우 다릅니다. 이것이 벡터입니다.

벡터: 내적과 외적 문제는 어떻게 단계별로 푸나요?
  1. 모든 벡터를 성분으로 쓰세요. 크기와 각도로 주어진 힘은 F·cos θ와 F·sin θ를 쓰세요.
  2. 길이와 방향에는 크기 √(x² + y² + z²)와 단위 벡터 a/|a|를 쓰세요.
  3. 각도, 투영, 수직 여부, 일에는 내적을 쓰세요: a·b = |a||b|cos θ.
  4. 수직 벡터, 넓이, 모멘트에는 외적을 쓰세요. 세 성분을 조심스럽게 쓰고 순서 a × b를 지키세요.
벡터: 내적과 외적에서 자주 하는 실수는?
  • 성분 대신 크기를 더하는 것.
  • 외적의 가운데(y) 성분의 부호를 틀리는 것.
  • 모멘트에서 r = A − O 대신 점의 위치를 쓰는 것.
  • 사분면을 확인하지 않고 arctan을 취하는 것.
벡터: 내적과 외적 연습에서는 무엇을 다루나요?
  • 쉬움: 크기와 성분
  • 보통: 내적
  • 어려움: 외적과 모멘트

문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다. 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.

연습 방법

  • 문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다.
  • 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.
  • 진행 상황, 틀린 문제, 저장한 문제가 보관되므로 시험 전에 복습할 수 있습니다.

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